We report on the development of a capacitance measuring system that allows measurements of capacitance in pulsed magnetic fields up to 61 T. By using this system, magnetic-field responses of various physical quantities, such as magnetostriction, magnetic-field-induced change in complex dielectric constant, and magneto-caloric effect, can be investigated in pulsed-magnetic-field conditions. Here, we examine the validity of our system for investigations of these magnetic-field-induced phenomena in pulse magnets. For the magnetostriction measurement, magnetostriction of a specimen can be measured through a change in the capacitance between two aligned electrodes glued on the specimen and a dilatometer. We demonstrate a precise detection of valley polarization in semimetallic bismuth through a magnetostriction signal with a resolution better than 10−6 of the relative length change. For the magnetic-field-induced change in complex dielectric constant, we successfully observed clear dielectric anomalies accompanied by magnetic/magnetoelectric phase transitions in multiferroic Pb(TiO)Cu4(PO4)4. For the measurement of magneto-caloric effect, a magnetic-field-induced change in sample temperature was verified for Gd3Ga5O12 with a capacitance thermometer made of a non-magnetic ferroelectric compound KTa1−xNbxO3 (x = 0.02) whose capacitance is nearly field-independent. These results show that our capacitance measuring system is a promising tool to study various magnetic-field-induced phenomena, which have been difficult to detect in pulsed magnetic fields.

1.
F.
Herlach
,
Rep. Prog. Phys.
62
,
859
(
1999
).
2.
G. K.
White
,
Cryogenics
1
,
151
(
1961
).
3.
R.
Griessen
,
Cryogenics
13
,
375
(
1973
).
4.
J. S.
Brooks
,
M. J.
Naughton
,
Y. P.
Ma
,
P. M.
Chaikin
, and
R. V.
Chamberlin
,
Rev. Sci. Instrum.
58
,
117
(
1987
).
5.
G.
Machel
and
M.
von Ortenberg
,
Physica B
211
,
355
(
1995
).
6.
J. A.
Ricodeau
,
D.
Melville
, and
E. W.
Lee
,
J. Phys. E: Sci. Instrum.
5
,
472
(
1972
).
7.
W.
Knafo
, private communication (
2020
).
8.
R. Z.
Levitin
,
V. N.
Milov
,
Y. F.
Popov
, and
V. V.
Snegirev
,
Physica B
177
,
59
(
1992
).
9.
X.
Ding
,
Y.-S.
Chai
,
F.
Balakirev
,
M.
Jaime
,
H. T.
Yi
,
S.-W.
Cheong
,
Y.
Sun
, and
V.
Zapf
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
085109
(
2018
).
10.
R.
Daou
,
F.
Weickert
,
M.
Nicklas
,
F.
Steglich
,
A.
Haase
, and
M.
Doerr
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
033909
(
2010
).
11.
A.
Ikeda
,
T.
Nomura
,
Y. H.
Matsuda
,
S.
Tani
,
Y.
Kobayashi
,
H.
Watanabe
, and
K.
Sato
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
083906
(
2017
).
12.
M.
Jaime
,
C. C.
Moya
,
F.
Weickert
,
V.
Zapf
,
F. F.
Balakirev
,
M.
Wartenbe
,
P. F. S.
Rosa
,
J. B.
Betts
,
G.
Rodriguez
,
S. A.
Crooker
, and
R.
Daou
,
Sensors
17
,
2572
(
2017
).
13.
A.
Ikeda
,
Y. H.
Matsuda
, and
H.
Tsuda
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
096103
(
2018
).
14.
M.
Jaime
,
R.
Daou
,
S. A.
Crooker
,
F.
Weickert
,
A.
Uchida
,
A. E.
Feiguin
,
C. D.
Batista
,
H. A.
Dabkowska
, and
B. D.
Gaulin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
12404
(
2015
).
15.
M.
Rotter
,
Z.-S.
Wang
,
A. T.
Boothroyd
,
D.
Prabhakaran
,
A.
Tanaka
, and
M.
Doerr
,
Sci. Rep.
4
,
7003
(
2014
).
16.
G.
Radtke
,
A.
Saúl
,
H. A.
Dabkowska
,
M. B.
Salamon
, and
M.
Jaime
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
1971
(
2015
).
17.
G.
Kido
,
Physica B
155
,
199
(
1989
).
18.
M.
Doerr
,
W.
Lorenz
,
T.
Neupert
,
M.
Loewenhaupt
,
N. V.
Kozlova
,
J.
Freudenberger
,
M.
Bartkowiak
,
E.
Kampert
, and
M.
Rotter
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
063902
(
2008
).
19.
S.
Kawachi
,
A.
Miyake
,
T.
Ito
,
S. E.
Dissanayake
,
M.
Matsuda
,
W.
Ratcliff
 II
,
Z.
Xu
,
Y.
Zhao
,
S.
Miyahara
,
N.
Furukawa
, and
M.
Tokunaga
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
024408
(
2017
).
20.
W. N.
Lawless
,
Cryogenics
19
,
585
(
1979
).
21.
G. K.
White
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
6
,
2070
(
1973
).
22.
G. V.
Bunton
and
S.
Weintroub
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
2
,
116
(
1969
).
23.
G. K.
White
,
AIP Conf. Proc.
17
,
1
(
1974
).
24.
A.
Lacerda
,
A.
de Visser
,
P.
Haen
,
P.
Lejay
, and
J.
Flouquet
,
Phys. Rev. B
40
,
8759
(
1989
).
25.
T. H. K.
Barron
and
G. K.
White
,
Heat Capacity and Thermal Expansion at Low Temperatures
(
Springer US
,
Boston, MA
,
1999
).
26.
J.-P.
Michenaud
,
J.
Heremans
,
M.
Shayegan
, and
C.
Haumont
,
Phys. Rev. B
26
,
2552
(
1982
).
27.
Y.
Iye
,
J.
Heremans
,
K.
Nakamura
,
G.
Kido
,
N.
Miura
,
J.-P.
Michenaud
, and
S.
Tanuma
,
J. Phys. Soc. Jpn.
52
,
1692
(
1983
).
28.
Y.
Fuseya
,
M.
Ogata
, and
H.
Fukuyama
,
J. Phys. Soc. Jpn.
84
,
012001
(
2015
).
29.
Z.
Zhu
,
J.
Wang
,
H.
Zuo
,
B.
Fauqué
,
R. D.
McDonald
,
Y.
Fuseya
, and
K.
Behnia
,
Nat. Commun.
8
,
15297
(
2017
).
30.
Z.
Zhu
,
B.
Fauqué
,
L.
Malone
,
A. B.
Antunes
,
Y.
Fuseya
, and
K.
Behnia
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
14813
(
2012
).
31.
A.
Iwasa
,
A.
Kondo
,
S.
Kawachi
,
K.
Akiba
,
Y.
Nakanishi
,
M.
Yoshizawa
,
M.
Tokunaga
, and
K.
Kindo
,
Sci. Rep.
9
,
1672
(
2019
).
32.
Y.
Tokura
,
S.
Seki
, and
N.
Nagaosa
,
Rep. Prog. Phys.
77
,
076501
(
2014
).
33.
Y. F.
Popov
,
A. K.
Zvezdin
,
G. P.
Vorob’ev
,
A. M.
Kadomtseva
,
V. A.
Murashev
, and
D. N.
Rakov
,
JETP Lett.
57
,
69
(
1993
).
34.
V. S.
Zapf
,
M.
Kenzelmann
,
F.
Wolff-Fabris
,
F.
Balakirev
, and
Y.
Chen
,
Phys. Rev. B
82
,
060402(R)
(
2010
).
35.
R.
Chen
,
J. F.
Wang
,
Z. W.
Ouyang
,
M.
Tokunaga
,
A. Y.
Luo
,
L.
Lin
,
J. M.
Liu
,
Y.
Xiao
,
A.
Miyake
,
Y.
Kohama
,
C. L.
Lu
,
M.
Yang
,
Z. C.
Xia
,
K.
Kindo
, and
L.
Li
,
Phys. Rev. B
100
,
140403(R)
(
2019
).
36.
K.
Kimura
,
M.
Toyoda
,
P.
Babkevich
,
K.
Yamauchi
,
M.
Sera
,
V.
Nassif
,
H. M.
Rønnow
, and
T.
Kimura
,
Phys. Rev. B
97
,
134418
(
2018
).
37.
K.
Kimura
,
Y.
Kato
,
K.
Yamauchi
,
A.
Miyake
,
M.
Tokunaga
,
A.
Matsuo
,
K.
Kindo
,
M.
Akaki
,
M.
Hagiwara
,
S.
Kimura
,
M.
Toyoda
,
Y.
Motome
, and
T.
Kimura
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
104415
(
2018
).
38.
K.
Kimura
,
S.
Kimura
, and
T.
Kimura
,
J. Phys. Soc. Jpn.
88
,
093707
(
2019
).
39.
K. A.
Gschneidner
, Jr.
,
V. K.
Pecharsky
, and
A. O.
Tsokol
,
Rep. Prog. Phys.
68
,
1479
(
2005
).
40.
L.
Zhu
,
M.
Garst
,
A.
Rosch
, and
Q.
Si
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
066404
(
2003
).
41.
M.
Garst
and
A.
Rosch
,
Phys. Rev. B
72
,
205129
(
2005
).
42.
R. Z.
Levitin
,
V. V.
Snegirev
,
A. V.
Kopylov
,
A. S.
Lagutin
, and
A.
Gerber
,
J. Magn. Magn. Mater.
170
,
223
(
1997
).
43.
S. Y.
Dan’kov
,
A. M.
Tishin
,
V. K.
Pecharsky
, and
K. A.
Gschneidner
, Jr.
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
2432
(
1997
).
44.
Y.
Kohama
,
C.
Marcenat
,
T.
Klein
, and
M.
Jaime
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
104902
(
2010
).
45.
T.
Kihara
,
Y.
Kohama
,
Y.
Hashimoto
,
S.
Katsumoto
, and
M.
Tokunaga
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
074901
(
2013
).
46.
Y.
Kohama
,
Y.
Hashimoto
,
S.
Katsumoto
,
M.
Tokunaga
, and
K.
Kindo
,
Meas. Sci. Technol.
24
,
115005
(
2013
).
47.
T.
Gottschall
,
K. P.
Skokov
,
F.
Scheibel
,
M.
Acet
,
M. G.
Zavareh
,
Y.
Skourski
,
J.
Wosnitza
,
M.
Farle
, and
O.
Gutfleisch
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
024013
(
2016
).
48.
B. L.
Brandt
,
D. W.
Liu
, and
L. G.
Rubin
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
104
(
1999
).
49.
S. S.
Courts
and
P. R.
Swinehart
,
AIP Conf. Proc.
684
,
393
(
2003
).
50.
R.
Rosenbaum
,
B.
Brandt
,
S.
Hannahs
,
T.
Murphy
,
E.
Palm
, and
B.-J.
Pullum
,
Physica B
294-295
,
489
(
2001
).
51.
T. P.
Murphy
,
E. C.
Palm
,
L.
Peabody
, and
S. W.
Tozer
,
Rev. Sci. Instum.
72
,
3462
(
2001
).
52.
H.
Tetsuka
,
H.
Takashima
,
B.
Prijamboedi
,
R.
Wang
,
A.
Shoji
,
Y. J.
Shan
, and
M.
Itoh
,
Phys. Status Solidi A
203
,
2546
(
2006
).
53.
K.
Shimada
,
H.
Takashima
,
R.
Wang
,
B.
Prijamboedi
,
N.
Miura
, and
M.
Itoh
,
Ferroelectrics
331
,
141
(
2006
).
54.
M. J.
Naughton
,
S.
Dickinson
,
R. C.
Samaratunga
,
J. S.
Brooks
, and
K. P.
Martin
,
Rev. Sci. Instrum.
54
,
1529
(
1983
).
55.
D.
Rytz
,
A.
Châtelain
, and
U. T.
Höchli
,
Phys. Rev. B
27
,
6830
(
1983
).
56.
M.
Tachibana
,
Solid State Commun.
221
,
33
(
2015
).
57.
P.
Schiffer
,
A. P.
Ramirez
,
D. A.
Huse
, and
A. J.
Valentino
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
2500
(
1994
).
You do not currently have access to this content.